Aula 1 Tipos de Diodos

Aula 1 Tipos de Diodos

ELETRÔNICA INDUSTRIAL P/ AUTOMAÇÃO

  • Introdução ao Diodo de Potência

  • AULA 1

  • PROF.: HALISSON ALVES

Revisão da Física de Semicondutores

  • Os Portadores: elétrons e lacunas

  • Semicondutores dopados

  • Recombinação

  • Correntes de deriva e de difusão

Os Portadores: elétrons e lacunas

  • A passagem de corrente elétrica em um meio depende da aplicação de um campo elétrico e da existência de portadores livres (usualmente elétrons) neste meio.

  • Em metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (elétrons) é da ordem de 1023 /cm3, enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o óxido de alumínio, o valor é da ordem de 103 /cm3 .

  • Os chamados semicondutores, como o silício, tem densidades intermediárias, na faixa de 108 a 1019/cm3 .

  • Nos condutores e nos isolantes, tais densidades são propriedades dos materiais, enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adição de “impurezas” de outros materiais, seja pela aplicação de campos elétricos em algumas estruturas de semicondutores.

Os Portadores: elétrons e lacunas

  • Lacunas - Átomos de materias com 4 elétrons em sua camada mais externa (C, Ge, Si, etc.), permitem o estabelecimento de ligações muito estáveis (ligação covalente). Em qualquer temperatura acima do zero absoluto (-273 oC), algumas destas ligações são rompidas (ionização térmica), produzindo elétrons livres. O átomo que perde tal elétron se torna positivo. Eventualmente um outro elétron também escapa de outra ligação e, atraído pela carga positiva do átomo, preenche a ligação covalente. Desta maneira tem-se uma movimentação relativa da “carga positiva”, chamada de lacuna, que, na verdade, é devida ao deslocamento dos elétrons que saem de suas ligações covalentes e vão ocupar outras, como mostra a figura 1.

Os Portadores: elétrons e lacunas

Semicondutores dopados

  • Quando se faz a adição de átomos de materiais que possuam 3 elétrons (como o alumínio ou o boro) ou 5 elétrons (como o fósforo) em sua camada de valência à estrutura dos semicondutores, os átomos vizinhos a tal impureza terão suas ligações covalentes incompletas ou com excesso de elétrons, como mostra a figura 2.

Semicondutores dopados

  • Camadas Tipo P e N - Neste caso não tem-se mais o equilíbrio entre elétrons e lacunas, passando a existir um número maior de elétrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela periódica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos da terceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiais semicondutores tipo N e tipo P.

  • Portadores Majoritários e Minoritários (Tipo P) - Quando a lacuna introduzida pelo boro captura um elétron livre, tem-se a movimentação da lacuna. Neste caso diz-se que as lacunas são os portadores majoritários, sendo os elétrons os portadores minoritários.

  • Portadores Majoritários e Minoritários (Tipo N) Já no material tipo N, a movimentação do elétron excedente deixa o átomo ionizado, o que o faz capturar outro elétron livre. Neste caso os portadores majoritários são os elétrons, enquanto os minoritários são as lacunas.

Recombinação

  • Uma vez que a quantidade ni (produto das densidades de lacunas e de elétrons) é determinada apenas por propriedades do material e pela temperatura, é necessário que exista algum mecanismo que faça a recombinação do excesso de portadores à medida que novos portadores são criados pela ionização térmica. Tal mecanismo inclui tanto a recombinação propriamente dita de um elétron com uma lacuna em um átomo de Si, quanto a captura dos elétrons pela impureza ionizada.

  • Tempo de Vida - Pode-se definir o “tempo de vida” de um portador como o tempo médio necessário para que o elétron ou a lacuna sejam “neutralizados” pela consecução de uma ligação covalente. Em muitos casos pode-se considerar o “tempo de vida” de um portador como uma constante do material. No entanto, especialmente nos semicondutores de potência, esta não é uma boa simplificação.

Recombinação

  • Tempo de Comutação Devido a Temperatura - Quando ocorre um significativo aumento na temperatura do semicondutor, tem-se um aumento no tempo de recombinação do excesso de portadores, o que leva a um aumento nos tempos de comutação dos dispositivos de tipo “portadores minoritários”, como o transistor bipolar e os tiristores.

  • Queda de tensão do Componente - Já em situações de alta dopagem (1017/cm3 ou superior), a taxa de recombinação aumenta,o que leva a um crescimento da queda de tensão sobre o dispositivo quando este está em condução.

Recombinação

  • Tempo de Condução de um Semicondutor - Um dos métodos que possibilita o “ajuste” do tempo de vida é a dopagem com ouro, uma vez que este elemento funciona como um “centro” de recombinação, uma vez que realiza tal operação com grande facilidade. Outro método é o da irradiação de elétrons de alta energia, bombardeando a estrutura cristalina de modo a deformá-la e, assim, criar “centros de recombinação”. Este último método tem sido preferido devido à sua maior controlabilidade (a energia dos elétrons é facilmente controlável, permitindo estabelecer a que profundidade do cristal se quer realizar as deformações) e por ser aplicado no final do processo de construção do componente.

Tipos de Diodos

  • Funcionamento

  • Tipos de Diodos

    • Diodos Lentos
    • Diodos Rápidos
    • Diodos Shottky

Diodos Funcionamento

  • Diodo semicondutor - É uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tensão e de corrente, permite a passagem de corrente em um único sentido.

  • Detalhes de funcionamento - Em geral desprezados para diodos de sinal, podem ser significativos para componentes de maior potência, caracterizados por uma maior área (para permitir maiores correntes) e maior comprimento (a fim de suportar tensões mais elevadas). A figura 3 mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Aplicando-se uma tensão entre as regiões P e N, a diferença de potencial aparecerá na região de transição, uma vez que a resistência desta parte do semicondutor é muito maior que a do restante do componente (devido à concentração de portadores).

  • Aplicando-se uma tensão entre as regiões P e N, a diferença de potencial aparecerá na região de transição, uma vez que a resistência desta parte do semicondutor é muito maior que a do restante do componente (devido à concentração de portadores).

  • Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tensão negativa no anodo (região P) e positiva no catodo (região N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da região de transição aumenta, elevando a barreira de potencial.

  • Por difusão ou efeito térmico, uma certa quantidade de portadores minoritários penetra na região de transição. São, então, acelerados pelo campo elétrico, indo até a outra região neutra do dispositivo. Esta corrente reversa independe da tensão reversa aplicada, variando, basicamente, com a temperatura.

  • Na Figura 4 pode ser vista a estrutura típica do diodo e formas de onda típicas de comutação.

Diodos Funcionamento

Diodos Funcionamento

  • Durante t1 - Remove-se a carga acumulada na região de transição. Como ainda não houve significativa injeção de portadores, a resistência da região N- é elevada, produzindo um pico de tensão. Indutâncias parasitas do componente e das conexões também colaboram com a sobre-tensão.

Diodos Funcionamento

  • Durante t2 - Tem-se a chegada dos portadores e a redução da tensão para cerca de 1V. Estes tempos são, tipicamente, da ordem de centenas de ns.

Diodos Funcionamento

  • Bloqueio (t3, t4 e t5) - A carga espacial presente na região N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formação da barreira de potencial na junção. Enquanto houver portadores transitando, o diodo se mantém em condução. A redução em Von se deve à diminuição da queda ôhmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo é que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, então, o bloqueio do diodo. A taxa de variação da corrente, associada às indutâncias do circuito, provoca uma sobre-tensão negativa.

Diodos Funcionamento

  • Queima do Componente - Se o campo elétrico na região de transição for muito intenso, os portadores em trânsito obterão grande velocidade e, ao se chocarem com átomos da estrutura, produzirão novos portadores, os quais, também acelerados, produzirão um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem redução significativa na tensão na junção, produz-se um pico de potência que destrói o componente.

Diodos Tipos de Diodos

  • Diodos Lentos (Retificadores, Diodos de Sinal)

  • Diodos Rápidos (Retificadores P/ Alta Freqüência, Snubbers, Conversores etc.)

  • Diodos Schottky

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • O diodo de Potência é um dispositivo de junção PN de dois terminais. Esta junção é normalmente formada por fusão, difusão e crescimento epitaxial.

  • Diz-se que o diodo está diretamente polarizado quando... e reversamente quando...

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • Quando ele esta reversamente polarizado flui uma corrente de fuga (leakage current) na faixa de micro a miliamperes;

  • Tensão de avalanche, ou tensão Zener, é atingida.

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • ID = corrente através do diodo, em A;

  • VD = tensão do diodo;

  • Is = corrente de fuga (ou de saturação reversa) da ordem de 10-6 a 10-15 A;

  • n = constante empírica conhecida como coeficiente de emissão ou fator de idealidade, cujo valor vária de 1 a 2;

  • VT = tensão térmica (thermal voltage);

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • VT = tensão térmica (thermal voltage);

  • q = carga do elétron: 1,6022 x 10-19 coulomb (C);

  • T = temperatura absoluta em kelvin (K = 273 + oC)

  • k = constante de Boltzmann: 1,3806 x 10-23 J/K

  • Por exemplo, a 25 oC a tensão térmica, VT será de:

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • ID será muito pequena se a tensão aplicada for menor que a tensão de limiar (threshold voltage) ou tensão de corte (cut-in voltage) ou tensão de ligamento (turn-on voltage). Assim, a tensão de limiar é aquela a partir da qual o diodo conduz completamente;

  • Exemplo: Se VD = 0,1 V, n = 1 e VT=25,8 mV teremos:

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • Ao aplicar tensões negativas ao semicondutor a corrente de fuga se mantém praticamente constante. Para tensões VD negativas e superiores em módulo á tensão VT, pode-se dizer que ID é constante e igual a corrente de fuga IS.

Diodos Curvas Características dos Diodos

  • A partir do instante em que a tensão reversa aplica entre os terminais de ânodo e cátodo do diodo ultrapassam o valor da tensão de ruptura reversa (breakdown voltage - VBR). A corrente reversa aumenta rapidamente para uma pequena variação na tensão reversa superior a VBR;

  • A operação dentro da região de ruptura reversa não será destrutiva se a dissipação de potência estiver dentro de um nível seguro.

Diodos Exemplo 2.1

  • A queda de tensão direta de um diodo de potência é VD = 1,2V a ID = 300 A. Supondo que n = 2 e VT = 25,8 mV, encontrar a corrente de saturação IS.

2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa

  • A corrente na junção diretamente polarizada do diodo deve-se ao efeito dos portadores majoritários e minoritários.

  • Com a redução desta corrente a zero, o diodo continua conduzindo devido aos portadores minoritários que continuam armazenados na junção PN e no material semicondutor propriamente dito.

  • Os portadores minoritários requerem um certo tempo para se re-combinar com as cargas opostas e ser neutralizados. Esse tempo é chamado tempo de recuperação reversa (reverse recovery time) trr.

Diodos Tempo de Recuperação Reversa (trr)

2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa

  • trr é medido a partir do cruzamento por zero da corrente do diodo até 25 % da corrente reversa máxima (ou de pico) IRR.

  • ta deve-se ao armazenamento de cargas na região de depleção da junção. tb deve-se ao armazenamento de cargas no material semi-condutor. A relação ta/tb é conhecida como fator de suavidade (softness factor - SF). trr = ta + tb

Diodos Curvas Características da Recuperação Reversa

  • A carga de recuperação reversa Qrr é a quantidade de portadores de cargas que fluem através do diodo no sentido reverso devido à mudança na condição de condução direta para bloqueio reverso. Seu valor é determinado a partir da área abrangida pelo caminho de corrente de recuperação reverso.

Diodos Curvas Características da Recuperação Reversa

  • Determinação de trr e IRR; Sabemos que:

Diodos Exemplo 3

  • O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 3 s e a taxa de decaimento da corrente é de 30 A/s. Determinar a carga armazenada QRR e a corrente reversa de pico IRR.

Diodos Problema 1

  • O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 5 s e a taxa de decaimento da corrente é de 80 A/s. Se o seu fator de suavidade é SF = 0,5. Determinar (a) a carga armazenada QRR e (b) a corrente reversa de pico IRR.

F I M

  • F I M

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